[論文レビュー] Supersymmetric Dark Matter Candidates - The Lightest Neutralino, the Gravitino, and the Axino

Frank Daniel Steffen|ArXiv.org|Nov 8, 2007

Cosmology and Gravitation Theories参考文献 28被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、R-奇性を保存するモデルの文脈において、最も軽い中性ノ、グライビトロン、アキシノを、超対称的暗黒物質候補としてレビューする。宇宙論的生成メカニズム、ビッグバン核合成およびCMB観測からの制約、および直接的・間接的探索、またはコライダーの特徴による実験的検出可能性を分析し、3つの候補すべてが観測された暗黒物質密度 Ω_dm h² ≈ 0.12 を説明するための妥当なパラメータ領域を有することを結論づける。

ABSTRACT

In supersymmetric extensions of the Standard Model, the lightest neutralino, the gravitino, and the axino can appear as the lightest supersymmetric particle and as such provide a compelling explanation of the non-baryonic dark matter in our Universe. For each of these dark matter candidates, I review the present status of primordial production mechanisms, cosmological constraints, and prospects of experimental identification.

研究の動機と目的

• R-奇性を保存する超対称的モデルにおける、最も軽い超対称粒子（LSP）としての最も軽い中性ノ、グライビトロン、アキシノの、非バリオン的暗黒物質候補としての妥当性を評価すること。
• 各LSP候補に対する初期宇宙生成メカニズムと、ビッグバン核合成（BBN）およびCMBからの宇宙論的制約（例：T_R）を評価すること。
• 直接的および間接的暗黒物質探索、LHCにおけるコライダーの特徴、およびILCにおける高精度測定を含む、各候補の実験的検出可能性を検討すること。
• LSPの残存密度が観測された暗黒物質密度 Ω_dm h² ≈ 0.12 に一致するパラメータ空間の領域を特定すること。これはWMAPデータと整合的である。
• LSPの過剰生成とBBN制約から導かれる再加熱温度 T_R に対する制約を通じて、インフレーションおよびバリオゲネシスに与える含意を議論すること。

提案手法

• M_GUT における一様なスピン対称性の破れパラメータを用いた制限付きMSSM（CMSSM）フレームワークを用い、最も軽い中性ノの質量と成分を含む低エネルギー超粒子スペクトルを計算する。
• M_GUT から電弱スケールへの統合的エネルギーの変化を、微分方程式を用いて計算し、最も軽い中性ノ、グライビトロン、アキシノの質量と混合状態を決定する。
• 各LSPの熱的および非熱的生成メカニズム（凍結アウト、および後期に崩壊するNLSPのシナリオ）を、ボルツマン方程式と崩壊率を用いて評価する。
• ビッグバン核合成（BBN）および宇宙マイクロ波背景（CMB）からの宇宙論的制約を適用し、再加熱温度 T_R とLSPの寿命を制限する。
• コライダーの特徴を分析：LHCにおける中性ノLSPのための運動量の欠損、およびグライビトロン／アキシノLSPシナリオにおける長寿命の荷電ストウ（τ̃₁）が示す可能性のある信号。
• ILCが、特にオンシェル生成と崩壊チェーンの再構成を通じて、LSPシナリオの区別に果たす役割を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 R-奇性を保存する超対称的モデルにおいて、最も軽い中性ノ、グライビトロン、アキシノが、冷たいまたは温かい暗黒物質候補として、Ω_dm h² ≈ 0.12 に一致する残存密度を持つ可能性を有するか？
• RQ2 特にBBNおよびCMBからの制約を通じて、これらのモデルにおける再加熱温度 T_R および次に軽い超対称粒子（NLSP）の寿命に課される宇宙論的制約は何か？
• RQ3 直接的および間接的暗黒物質探索実験、LHC、およびILCは、中性ノ、グライビトロン、アキシノLSPシナリオをどのように区別できるか？
• RQ4 長寿命の荷電NLSP（例：ストウ）の存在が、グライビトロン／アキシノLSPモデルと中性ノLSPモデルを区別するために果たす役割は何か？
• RQ5 現在の実験的および宇宙論的制約のもとで、CMSSMフレームワークにおいて、3つのLSP候補すべてが観測された暗黒物質密度を自然に達成できるか？

主な発見

• R-奇性が保存される限り、最も軽い中性ノ（χ̃⁰₁）は、CMSSMフレームワークにおいて、観測された暗黒物質の残存密度 Ω_dm h² ≈ 0.12 を自然に達成できる。これはWMAPの3σ範囲（0.094 < Ω_dm h² < 0.136）と整合的である。
• グライビトロンおよびアキシノも、再加熱温度 T_R が過剰生成を避けるために十分に低い特定のパラメータ領域において、有効なLSPとして機能可能であり、観測結果と一致する残存密度を持つ。
• BBNおよびCMBからの宇宙論的制約は、再加熱温度を T_R < 10^9–10^10 GeV に制限する。これは、インフレーションおよびバリオゲネシスのモデルに影響を及える。
• 中性ノLSPは、弱い相互作用を有するため、直接的および間接的探索実験において最も容易に検出可能であり、EGRETデータに既に示唆される信号が存在する可能性がある。
• グライビトロン／アキシノLSPシナリオでは、直接的・間接的信号の欠如は、長寿命の荷電NLSP（例：ストウ）がLHCにおける主なコライダー信号である可能性を示唆しており、これはミューオンに類似した粒子として検出可能である。
• ILCは、特にグライビトロン／アキシノモデルにおいて、エネルギーを調整可能で、長寿命のストウ粒子を含む崩壊チェーンの高精度再構成が可能なため、LSPシナリオの区別に不可欠である。